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전기 자동차의 사용이 빠르게 증가하면서, 전기차 배터리에 관한 이슈가 자주 발생하고 있습니다. 전기차 배터리는 차량의 성능과 안전성을 좌우하는 핵심 부품이기 때문에, 이를 올바르게 이해하고 적절히 관리하는 것이 매우 중요합니다.
이번 글에서는 전기차 배터리의 작동 원리부터, 배터리 화재의 원인 그리고 화재와 사고를 예방할 수 있는 배터리 관리 방법에 대해 알아보겠습니다. 추가로 주요 배터리 제조사와 배터리 종류 그리고 종류별 장단점에 대해서도 알아보겠습니다.
전기차는 화재 발생 확률이 높을까요?
화재보험협회의 2023년 2월호 웹진에 게재된 ‘전기차 화재위험에 대한 오해와 진실’이라는 글을 보면, 미국 연방교통 위원회(National Transportation Safety Board)와 미국 교통 통계국(Bureau of Transportation Statistics)이 발표한 자료를 참조하여, 자동차의 종류를 크게 내연기관차(가솔린, 디젤 등), 하이브리드차와 전기차로 구분한 후 10만 대당 화재 발생 수를 조사한 내용이 나와 있습니다.
| 미국 자동차 유형별 화재 빈도 비교 | ||
| 자동차 유형 | 10만 대당 화재 수(%) | 총 화재 |
| 하이브리드 | 3474.5 (3.4%) | 16,051 |
| 내연기관차 | 1529.9 (1.5%) | 199,533 |
| 전기차 | 25.1 (0.03%) | 52 |
위 표에 제시된 통계를 보면 전기차의 화재 발생 빈도는 내연기관차보다 낮습니다. 다만 이건 배터리 화재를 포함한 자동차 화재 전체에 대한 통계이기 때문에 전기차 배터리가 화재에 안전하다는 확신을 가지기에는 부족하다는 생각이 듭니다.
특히, 인천의 벤츠 전기차 화재 사건을 비롯한 최근 전기차 배터리 관련 화재 사건들을 보면, 리튬이온 배터리의 특성상 화재 발생 시 진압이 어렵고 피해 규모가 상상 이상으로 클 수 있다는 점에서 걱정이 됩니다.
그러니까 전기차가 화재에 취약하거나 안전하지 않다는 생각은 잘못됐다고 말할 수 있지만, 한 번 화재가 발생하면 상당한 피해가 예상되므로 화재 예방을 위한 관리에 세심한 주의가 필요하다고 생각합니다.
전기차 배터리 원리와 화재 원인
전기차 배터리를 관리하려면 우선 배터리에 대한 상식이 필요합니다. 이게 뭔지 알아야 어떻게 할지를 알 수 있겠죠?
전기차 배터리를 얘기할 때 2차 전지라는 말이 자주 등장합니다.
2차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일회용 배터리가 아니라 충전을 통해 재사용이 가능한 배터리를 말합니다.
즉, 충전식 배터리라는 말인데, 전기차의 배터리는 충전량이 매우 크기 때문에 충전 관련 위험 요소가 많고 이를 관리해야 합니다.
찾아보면 전기차 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환해서 차량을 움직이게 하는 장치라는 설명이 나옵니다. 들으나 마나 한 설명이죠.
화학 에너지를 전기 에너지로 바꾼다는 말이 무슨 말인지 이해할 수 있으세요? 저는 문과 출신이라 도대체 무슨 말인지 모르겠더라구요. 화학 에너지라고 하니까 석유나 가스 같은 화석 연료인가? 이런 생각도 들구요.
찾아보니 화학 에너지는 물질 내부에 저장된 에너지라고 합니다. 예를 들어, 음식 속에 들어 있는 에너지가 바로 화학 에너지라고 해요. 우리가 음식을 먹으면, 그 에너지가 몸속에서 사용되면서 우리가 움직이고 생각할 수 있게 된다는 겁니다.
에너지는 여러 가지 형태로 존재할 수 있는데, 열에너지(뜨거운 물), 전기 에너지(전구를 켤 때), 운동 에너지(움직이는 자동차) 그리고 화학 에너지 이런 식으로 존재한다고 합니다.
전기차 배터리 내부에는 양극과 음극이 있다는 건 다들 잘 알고 계시죠? 전기는 전위차 때문에 이동을 할 수 있는데, 전위차라는 말은 높은 곳과 낮은 곳 또는 많은 것과 적은 것이라고 이해하면 될 것 같아요. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것과 같은 이치라고 보시면 됩니다.
그리고 전기차 배터리는 물탱크 같은 거라고 생각하면 쉽습니다. 비어 있는 물탱크에 물을 부어 채워 주는 것이 충전인 거죠. 그런데 전기차의 배터리에는 양극과 음극 사이에 전해질이라는 물질이 존재합니다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 이온을 이동시켜 전기를 생성하는 물질입니다.
배터리 내부에 전달된 전기는 바로 이 전해질 안에 화학에너지로 저장되는 거죠. 그리고 배터리를 사용하게 되면 전해질에 저장된 화학 에너지가 다시 전기 에너지로 변환됩니다.
전기차 배터리의 화재 사고는 전해질과 이에 반응하는 화학물질 때문에 발생하게 되는데, 대부분 과열에 의해 발생합니다. 배터리가 과열되거나 충격을 받을 경우, 내부 화학 반응이 불안정해져 화재로 이어질 수 있습니다.
그리고 충전 중 과충전이 발생하거나 충전기 자체에 문제가 있을 때, 화재의 위험이 크게 증가합니다. 또한, 배터리가 손상되거나 내부 단락(쇼트)이 발생하면 화재 가능성이 높아집니다.
손상된 배터리는 내부에서 화학 물질이 새어 나와 불이 붙을 수 있으며, 과열된 배터리는 화재를 일으킬 수 있기 때문에 차량 특히, 배터리에 충격이 발생하면 바로 점검을 받는 것이 좋습니다.
전기차 배터리의 안전 시스템
위와 같은 배터리 화재 사고를 예방하기 위해 최근에는 배터리 내부의 열 관리 시스템이 중요한 이슈로 떠 오르고 있습니다. 그래서 대부분 전기차에는 배터리를 관리하는 시스템이 갖추어져 있습니다.
전기차의 배터리 관리를 담당하는 컴퓨터를 일반적으로 배터리 매니지먼트 시스템 BMS(Battery Management System)라고 하는데, 현대자동차그룹의 경우 전기차 통합 충전 관리 유닛인 ICCU(Integrated Charging Control Unit)를 통해 전기자동차의 모든 전원을 관리한다고 합니다.
배터리의 온도 및 충전 상태와 날씨, 주변 온도까지 파악해서 충전할 때 최적의 속도와 충전 량을 관리하는데, 계기판에 100%로 표시가 되어 있어도 실제 배터리는 안전 갭을 확보하기 위해 100%를 채우지 않습니다.
반대로 0%라고 표시가 되어 있어도 실제로는 0%가 아닙니다. 항상 어느 정도 안전 갭을 확보합니다. 그리고 계기판에 0%가 표시되기 전에 이미 출력을 제한하고 운전자에게 수차례 경고를 합니다.
그리고 브랜드마다 조금씩 차이는 있겠지만 대부분 전기차에는 이런 관리 시스템이 갖추어져 있다고 합니다. 이런 안전 관리가 이루어지지 않는다면 전기차는 전기의자와 다를 게 없겠죠?
전기차 배터리 이렇게 관리하자
전기차의 배터리를 관리하는 시스템 덕분에 대부분 안전하게 전기차를 사용할 수 있겠지만 컴퓨터를 비롯한 전자장비는 언제든지 오류를 일으킬 수 있습니다.
따라서 전기차를 안전하게 이용하기 위해서는 사용자 스스로 제대로 관리하는 습관을 지녀야 합니다.
그래서 전기차 배터리를 안전하게 관리하기 위해 필요한 몇 가지 중요한 사항을 정리했습니다.
- 최대 충전 량 설정을 80% 혹은 90%로 설정하여 둔다.
- 20% 이하 방전은 최대한 피한다.
- 충전이 완료되면 충전기를 즉시 분리한다.
- 충전기 사용 중에는 배터리의 온도를 체크하자.
- 충전하기 전 충전기의 상태도 확인한다.
- 배터리가 지나치게 뜨거워지지 않도록 주의. (특히, 여름철 그늘 및 지하 주차)
- 주기적인 관리 소프트웨어 업데이트
- 급가속을 최대한 피한다.
- 6개월 주기로 정비소를 방문하여 배터리 밸런싱 상태를 확인한다.
- 차량에 큰 충격이 발생한 경우 서비스센터(지정 정비사)에서 반드시 점검
- 잦은 급속충전은 배터리에 부담을 주므로 한 달에 한 번은 완속 충전하는 것이 좋다.
- 장기간 미사용 시 12V 배터리를 차단하고, 3개월에 한 번 이상 충전한다.
이런 내용을 숙지하고 관리한다면 전기차 배터리의 성능을 최적화하고, 화재와 같은 사고를 예방할 수 있습니다.
전기차 사용자가 주의해야 할 몇 가지 사항
- 차량의 주황색 케이블은 300V 이상의 전기가 흐르므로 접촉하지 않도록 주의한다.
- 젖은 손으로 충전기를 사용하지 않는다. (이건 기본입니다)
- 비가 올 때는 충전 장치에 수분이 유입되지 않도록 주의해야 합니다.
- 비가 올 때는 가급적 실외 충전소보다는 실내 충전소를 이용하는 것이 좋습니다.
- 충전구와 커넥터가 정확히 연결되었는지 확인하고 충전해야 합니다.
- 충전 중 충전 커넥터를 임의로 분리하지 않고 충전 종료 버튼으로 종료합니다.
- 충전 케이블 피복 손상, 커넥터 파손 등 안전상태를 주기적으로 점검해야 합니다.
- 엔진룸과 전기모터, 충전 접속 부위 그리고 고전압 배터리는 세차 금지입니다.
- 충전 중에 세차하면 안 됩니다.
대표적인 전기차 배터리 제조사와 배터리 종류별 장단점
전기차 배터리를 생산하는 주요 회사로는 한국의 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온이 있습니다. 이들 회사는 주로 NCM 배터리를 생산하여 고성능 전기차에 공급하고 있습니다.
NCM 배터리는 니켈(N), 코발트(C), 망간(M)을 주요 재료로 사용하여 높은 에너지 밀도와 긴 주행거리를 제공합니다.
중국의 CATL은 주로 LFP 배터리를 생산하여, 안전성과 비용 효율성을 중시한 전기차에 공급하고 있습니다. CATL의 LFP 배터리는 높은 내열성과 안정성으로 많은 인기를 얻고 있습니다.
전기차 배터리에는 다양한 종류가 있는데, 크게 NCM 배터리와 LFP 배터리로 나눌 수 있습니다.
- NCM 배터리: 니켈, 코발트, 망간을 주요 재료로 사용하며, 높은 에너지 밀도와 긴 주행거리를 자랑합니다. 그러나 코발트의 가격이 비싸고, 안전성 면에서 LFP 배터리보다 민감할 수 있습니다. NCM 배터리는 고성능 전기차에서 주로 사용됩니다.
- LFP 배터리: 리튬 철 인산염을 사용하여 화학적으로 안정적이며, 높은 내열성을 자랑합니다. 이 배터리는 비용이 저렴하고, 안전성이 높아 대중적인 전기차와 상용 차량에서 많이 사용됩니다. 그러나 에너지 밀도가 낮아 같은 크기의 배터리로는 주행거리가 짧을 수 있습니다.
마무리
전기차 배터리는 전기차의 핵심 부품으로, 성능과 안전성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 전기차 배터리의 작동 원리와 화재 원인을 이해하고, 올바르게 관리하는 것이 전기차의 성능을 유지하고 사고를 예방하는 데 큰 도움이 됩니다. 전기차 배터리의 종류와 특성을 충분히 이해하고, 안전하게 관리함으로써 전기차를 보다 효율적이고 안전하게 운전할 수 있습니다. 전기차 배터리에 대한 정확한 이해와 관리가 전기차를 오랫동안 안전하게 사용하는 데 필수적임을 잊지 말아야 합니다.